王晓华，宁启蒙，王心怡，曾志伟

（湖南城市学院 建筑与城市规划学院，湖南 益阳 413000）

人类活动导致物种流失，生境趋于破碎化，而栖息地的丧失和退化是生物多样性下降的关键原因。[1-3]快速城镇化导致中国失去了许多珍贵的物种和物种栖息地，政府需要获取生境质量信息并识别影响其变化的因素。[4-5]因此，有效地评估和监测生境质量变化并确定其影响因素，对于以人类为主导地区的生态管理具有重要意义。

早期研究侧重于野生动物栖息地质量评价，主要通过对生物多样性和栖息地的实地调查获取数据，这种方法费时费力，通常只适用于小面积或特定的自然保护区。近年来，随着计算机和GPS、GIS、RS技术的进步，学术界构建了许多模型来评价生境质量。目前生境质量评价主要有实地调查、[6-7]生境指标[8-9]和生境模型[10-11]等方法。其中实地调查既昂贵又费时，因此常用于小范围的物种多样性评价，且生境实地调查往往缺乏长期连续的数据，无法评估生境质量的时空动态；[2]生境指标评估是用综合遥感指数来评估生境质量，许多研究结合生境指标和实地数据来预测生境质量的格局；[12-13]生境模型是利用多时相卫星图像、物种分布和空间模型来估算生境质量的有效方法，具体包括生态位模型、[14]生境适宜性指数模型、[15]最大熵模型（MxEnt）、[16]环境服务与权衡综合评价模型（InVEST）[11]等。InVEST模型评估生境质量时，可考虑其动态过程，特别是在生境质量现有数据有限的地区。[17]同时InVEST模型可以基于土地利用情景分析框架快速评估生境质量状况和变化，该模型已被证明对生境质量评估是有效的，对土地利用和生境质量保护的管理具有重要意义。[18-19]生境质量影响因素方面，土地利用变化是主要驱动因素。[20]因此，了解土地利用政策和生境质量保护策略对土地利用规划和生态系统的保护具有重要意义。此外，除土地利用方式所反映的社会经济因素外，生境质量的分布还受到地形、地貌、植被覆盖和人口密度等自然因素和人为因素的影响。[5]许多研究集中于探索生境质量和土地利用变化之间的动态关系，[21-23]研究方法包括线性回归和非线性回归，回归分析可以量化自变量与因变量之间的作用关系，但无法反映局部空间变化。总体而言，现有关于生境质量的长期时空动态及其影响因素的研究很少。此外生境质量与自然和社会经济影响因素间的关系尚待进一步研究。

洞庭湖地区既是长江经济带开放开发的重点区域，也是湖南省“一带一部”战略定位的枢纽地带。近年来，随着城镇化的加快，洞庭湖周边工农业活动日益频繁，土地利用强度逐渐增大，原有水域面积缩减加快，水域也在遭受污染，生态系统面临着日渐增强的人类活动干扰，生境质量正呈现衰退趋势。因此，加强洞庭湖地区生境质量研究，对于该地区国土空间高质量发展具有重要意义。基于此，本文选取洞庭湖地区作为研究对象，运用InVEST模型和双变量空间自相关方法，对2000—2018年生境质量的时空变化、空间关系以及影响因素进行分析，旨在解决以下问题：第一，分析该地区生境质量的时空特征；第二，了解人类行为和自然地理等要素如何影响生境质量。

一、研究区及研究方法

（一）研究区概况

洞庭湖地区是以洞庭湖水域为中心，向周围依次过渡为湿地、平原、丘陵山地的具有多样性地貌的生态区，是长江中下游重要的调蓄性湖泊生态区，也是典型的水陆生态交错脆弱带，处于湘、资、沅、澧四水交汇处，属亚热带季风气候，降水丰富，雨热同期，水、气、土、生物资源要素丰富，生态系统复杂多样，包括湿地生态系统、草地生态系统、森林生态系统、农田生态系统和城镇生态系统等多种生态功能类型。[24-26]为了有效改善洞庭湖流域生境质量，湖南省人民政府实施了《洞庭湖生态环境专项整治三年行动计划（2018—2020）年》，包括农业面源污染治理与综合治理、退耕还林还湿地、洞庭湖自然保护区核心区入侵杨树清除、湿地修复等。通过这些措施的实施，洞庭湖流域生境质量得到明显改善，但生境质量威胁依然严重。因此，对洞庭湖地区生境质量开展研究具有典型性和代表性。本文参照相关规划和研究结果，[27]选取洞庭湖地区中岳阳、益阳和常德3个地级市的部分县（市、区）作为研究区（见图1），总面积约2.58万km2，约占湖南省面积的12.18 %，截至2020年底，常住人口约1 070.58万，占全省的16.11 %，生产总值约 7 104.4 亿元，约占全省的 17 %。

（二）研究方法

1.土地利用强度指数

土地利用强度指数通常用来测算人类对土地施加的作用或干扰程度。参考前人研究，[28]可以将土地利用分为四种强度类型，分别是其他用地（未利用地）、林草水用地（林地、草地和水域）、农业用地（耕地）和建设用地，其强度等级从前至后依次为1、2、3、4。土地利用强度指数的计算公式是

式中：L表示区域土地利用综合强度；Aj代表区域内第j级土地利用强度分级指数；S为区域土地总面积，Sj代表区域内第j级土地面积；n则是土地利用强度分级数。

2.生境质量模型

生境质量的具体数值可以通过InVEST模型Habitat Quality模块进行计算。[17]首先要结合土地覆被数据和生物多样性威胁因素；其次需选取胁迫因子，并根据专家知识，确定胁迫因子的权重，其权重的大小可以反映胁迫因子对生境类型的干扰程度；再次，胁迫因子对生境类型产生的干扰会由于距离增加而相应减弱，所以需要设置胁迫因子的最大干扰距离；此外不同的生境类型可能会对相应的胁迫因子作出不同的反应。[29-30]生境质量的计算公式为

式中：Qxj为生境类型j中栅格x的生境质量；Dxj为生境类型j中栅格x所受到的干扰程度；k为半饱和常数，通常取Qxj试运行一次后得到的最大值的一半，Hj为生境类型j的生境适宜性。其中，Dxj具体计算公式为

式中：r为胁迫因子；R为胁迫因子的数量，y为胁迫因子r图层的栅格数；Yr为r胁迫因子所占的栅格总数；ωr为胁迫因子r的权重，取值[0, 1]；ry为栅格y的胁迫因子值( 0或 1)；irxy为栅格y的胁迫因子r对生境栅格x的干扰程度；βx为栅格x的可达性水平，取值[0,1]，1表示极容易到达；Sjr为生境类型j对胁迫因子r的敏感性，irxy通过以下公式得到：

式中：dxy为栅格x与栅格y之间的直线距离；drmax为胁迫因子r的最大影响距离。

3.影响因素选取

生境质量受到人类活动和自然地理因素的影响。其中GDP、人口密度和土地利用是人类活动对生境质量的典型影响因素。地形和植被覆盖是典型的自然地理影响因子。因此，本文选择GDP、人口密度、土地利用强度、归一化植被指数（NDVI）、高程和坡度作为生境质量的影响因素。

（三）数据来源及处理

研究区2000年、2010年、2018年三期土地利用覆盖数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn），并参照全国土地利用标准分类和刘纪远等的研究，[31]将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。生境质量数据中水田、旱地、建设用地、裸地是人类活动频繁或自然环境较为恶劣的地类，因此在本文中将该四类用地作为威胁源。各地类的生境适宜性、胁迫因子权重以及最大胁迫距离、生境类型对胁迫因子的敏感性等参数设置来自相关文献。[32]GDP和人口的空间分布公里网格数据集、NDVI和DEM数据也来源于中国科学院资源环境科学数据中心，分辨率为1 km。土地利用强度是根据公式（1）计算所得。高程和坡度利用DEM数据，在ArcGIS中计算得到。

二、结果与分析

（一）洞庭湖地区生态质量时空变化

1.时间变化

先利用ArcGIS 10.2构建5km×5km的网格，研究区共1188个网格。提取2000—2018年洞庭湖地区生境质量，再运用自然断裂点方法将其划分成五个等级，低（0～0.45）、中低（0.45～0.55）、中（0.55～0.65）、中高（0.65～0.85）、高（0.85～1.00）。其中，由于基础数据的问题，计算的结果部分网格是空值，2000年和2010年空值网格数分别为40个和30个。研究期间，低和中低等级的生态质量网格数呈现增加趋势；中等级的生态质量网格数呈现下降趋势；而中高和高等级的生态质量网格数也是呈现增加趋势（见表 1）。表明洞庭湖地区生境质量整体呈现改善趋势。

表1 2000—2018年不同等级生境质量网格数量 个

2.空间变化

2000—2018年研究区生境质量呈现明显的空间分异（图 2）。高生境质量多出现在洞庭湖水域及沿岸河流、湖泊、东部与南部山地丘陵区，而在地形平坦、人口经济活动较密集的城镇地区则生境质量较低，由于这些地区建设用地扩张速度快，林地、水域与草地等生态用地面积较小且破碎，对维持局部生态环境稳定及生态系统健康产生了较大阻碍。2000—2010年，临澧县、常德市区、汉寿县、益阳市区、岳阳县、汨罗市及湘阴县的生境质量有了较小幅度的提升，说明该时段内这些地区的生态环境有所改善，这主要得益于环保意识的增强、耕种技术的改进与有效环保举措的实施。2010—2018年临澧县南部、汨罗市的生境质量有所提升，而其余地区生境质量保持相对稳定，研究区生态环境总体有了小幅改善。

图2 2000—2018年研究区生境质量空间分布

（二）土地利用强度对生境质量的影响

土地利用强度越大，反映人类活动对生境质量的影响程度越深，最终将导致生境质量的衰退。分析土地利用强度与生境质量的时空关系，对于实现可持续发展具有重要意义。从局部二元空间自相关分析结果可以看出（见图3），2000—2018年研究区土地利用强度（LUI）与生境质量（HQ）间存在显著的空间自相关，且形成了四种典型的集聚类型：即高—高集聚、高—低集聚、低—高集聚、低—低集聚，但空间集聚也具有一定的动态变化。从 LUI—HQ的局部空间自相关分布图看，2000—2010年，四种集聚类型的面积变化较大，而2010—2018年基本稳定。其中，高—高集聚的面积小，分布零散且年际变化小。低—低集聚主要分布在临澧县南部、常德市区北部与南部、岳阳县中东部、汨罗市中部、汉寿县南部与益阳市区东部，2000—2010年，其在汨罗市、临澧县的面积有所缩小。低—高集聚面积大且集中，主要分布在洞庭湖水域、大通湖、临湘市东南、岳阳县东南、常德市区南部与汉寿县东部，2000—2010年，常德市区南部、益阳市区南部的低—高集聚面积减少。高—低集聚主要分布在临澧县、常德市区中南部、汉寿县中南部、益阳市西北—东南部、汨罗市中部、湘阴县东部，2000—2010年，其在常德市区、益阳市区、汨罗市的面积大幅增加。

图3 2000—2018年研究区土地利用强度与生境质量的局部空间自相关分布

（三）洞庭湖地区生态质量的影响因素

生境质量受自然地理因素和社会经济活动的影响。基于SPSS 20.0运用Pearson相关系数对生态质量的影响因素进行分析。所有统计检验认为p＜ 0.05 具有显著性（见表 2）。

表2 生境质量与影响因子的相关系数

生境质量与高程、坡度、NDVI等自然地理因子存在显著正相关性，相关系数分别为0.56、0.47和0.42。高程和坡度代表该地区的地形地貌，反映了人类活动的可达性。高海拔或陡坡的景观可达性相对较低，人类干扰的可达性有限，因此，高程越高、坡度越陡，生境质量水平越高。NDVI是反映植被覆盖度的重要参数，植被结构影响了生境质量的空间分布。因此，生境质量与 NDVI显著相关，表明植被覆盖度较高区域的生境质量也高。生境质量与社会经济因素包括土地利用强度、人口密度存在显著负相关，相关系数分别为-0.88和-0.42。生境质量与人口密度、土地利用强度的相关系数均为负值，表明人口密集的社会经济活动威胁生境质量，导致生境丧失和退化，其中，土地利用强度是生境质量降低的主要影响因素，表明人类干扰的可达性较高，因此导致生境质量下降。

三、结论与讨论

（一）结论

选取洞庭湖地区作为研究对象，基于 2000年、2010年和2018年的遥感影像，运用InVEST模型和双变量空间自相关方法，分析2000—2018年研究区生境质量的时空演变及影响因素，主要结论如下：

1.2000—2018年，研究区生境质量呈现明显的空间分异。研究期内生境质量的空间分布基本稳定，但具有空间异质性。高生境质量多出现在洞庭湖水域及沿岸河流、湖泊、东部与南部山地丘陵区，而地形平坦、人口经济活动较密集的城镇地区则生境质量较低。

2.根据局部二元空间自相关分析结果可看出，2000—2018年研究区土地利用强度（LUI）与生境质量（HQ）之间存在显著的空间自相关，但空间集聚也具有一定的动态变化。LUI—HQ的高—高集聚的面积小，分布零散且年际变化小。低—低集聚主要分布在临澧县南部、常德市区北部与南部、岳阳县中东部、汨罗市中部、汉寿县南部与益阳市区东部。

3.生境质量受自然地理因素和社会经济活动的影响。社会经济活动对生境质量产生负向影响，其中，土地利用强度是降低生境质量的主要影响因素。自然地理因素对生境质量产生正向影响。总体来看，生境质量与人类干扰直接相关，自然地理优越的地方，人类干扰少；社会经济活动强的地方，人类干扰多，以上原因导致了生境质量降低。

（二）讨论

从以上研究结果中可以发现，洞庭湖地区土地利用强度和生境质量之间的空间关系存在4种自相关类型。其中，高—高集聚区土地利用强度和生境质量都很高，此类型区可以视为“生态功能区”，其重点任务是增加生态建设投入，完善环保基础设施，提高土地利用效率，全力实现城镇化与生态系统的协调；低—低集聚区内土地利用强度和生境质量都很低，通常表现为“未利用地”，其重点任务是加强土地复垦与生态修复建设，在注重环境保护的前提下，加大土地整治力度，促进生态农业发展；低—高集聚区土地利用强度较低，但是生境质量较高，此类型区可以划为“生态保护区”，其重点任务是严格贯彻落实生态保护法律法规和政策，推动高品质规划的制定和实施，严格限制城乡建设用地的扩张，大力发展新兴绿色产业；高—低集聚区土地利用强度较高且生境质量较低，通常为“建设用地集中区”，其重点任务是加强对建设用地规模的管控力度，合理集约推动建设用地利用，积极营造现代化生态绿色空间，实现人地关系的协调统一。